Akademia Górniczo - Hutnicza w Krakowie Laboratorium Wysokich Napięć		Wykonali:
Temat:			III rok gr. C
Data wykonania:	Data oddania:	Ocena:

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zweryfikowanie charakterystyki Paschena otrzymanej eksperymentalnie i na podstawie obliczeń. Sprawdzenie wpływu krzywizny elektrod oraz rodzaju wyładowań na wytrzymałość elektryczną układów z różnymi typami elektrod w polu niejednostajnym.

2. Wstęp.

Do wykorzystywanych w technice wysokonapięciowej gazów elektroizolacyjnych należą min. sześciofluorek siarki (SF₆), azot (N₂), freon (CF₂Cl₂). Najbardziej naturalną i powszechnie występującą mieszaniną jest powietrze, zawierające głównie azot i tlen.

W normalnych warunkach atmosferycznych powietrze jest niemal idealnym dielektrykiem. Zawsze jednak występuje w nim niewielka liczba swobodnych ładunków (średnio 10³cm^-3).

Jeżeli ładunki swobodne znajdują się w polu elektrycznym, to następuje ich dryft w jego kierunku. Przy pewnym napięciu na wskutek zderzeń osiągają krytyczną wartość energii kinetycznej i zapoczątkowują wyładowania lawinowe.

3.. Weryfikacja charakterystyki Paschena.

3.1 Wstęp.

Paschen stwierdził zależność napięcia przeskoku (U_o) w powietrzu w polu jednostajnym od iloczynu ciśnienia (p) i odległości między elektrodami (a). Analityczne wyprowadzenie zależności U₀=f(ap) wynika z wyprowadzonego przez Townsenda warunku wyładowania w gazie - przejście wyładowania niesamodzielnego w samodzielne następuje w wyniku procesów wtórnych na katodzie.

2. Wykonanie ćwiczenia.

Charakterystyka Paschena przedstawia wpływ materiału elektrod, rodzaju gazu i ich makroskopowych własności na napięcie przeskoku w gazie. W celu wyznaczenia tej charakterystyki wykorzystaliśmy układ:

Układ posiadał miedziane elektrody umieszczone w próżni w odległości 3mm od siebie. Wskazanie woltomierza mnożyliśmy przez jego przekładnie (1100).

Zestawienie wyników:

p [Pa]	ap [hPa∗cm]	Uv [V]	Uo [V]
70	0,21	0,741	816
100	0.29	0,679	747
120	0.36	0,663	730
140	0,42	0,594	654
180	0,52	0,556	612
215	0,64	0,5	550
260	0.77	0,468	515
280	0.84	0,47	515
305	0,92	0,447	525
440	1,3	0,492	542
560	1,7	0,502	553
670	2,03	0,539	593

3.3. „Obliczenie” charakterystyki Paschena.

Dla kilku wartości iloczynu pa obliczyliśmy napięcie przeskoku ze wzoru:

i nanieśliśmy na charakterystykę z naszymi danymi. Współczynniki A,B,γ odczytaliśmy z odpowiednich tablic.

3.4. Współrzędne minimum charakterystyki Paschena.

Przy pewnej odległości iloczynu ciśnienia i odległości między elektrodami jonizacja przebiega najintensywniej. Dla stałych a i p występuje minimalna wartość napięcia przeskoku U₀. Współrzędne minimum obliczone zostało ze wzorów:

3.5. Porównanie charakterystyk U₀=f(pa) otrzymanych eksperymentalnie i obliczonych.

Z wykresów widać, że różnice między przebiegiem obliczonym i zmierzonym występują w zakresie małych wartości iloczynu pa. Przyczyną tego jest założenie γ=const. Należy również brać pod uwagę błąd odczytu podczas pomiaru. Nie zawsze dało się jednocześnie odczytać wartości ciśnienia i napięcia wskazywanego przez woltomierz, a jego wskazanie często podczas odczytu nie było ustalone.

4. Wytrzymałość gazów w polu niejednostajnym.

4.1. Wstęp.

W polu niejednostajnym warunki do tworzenia się lawin elektronowych nie występują w całej przestrzeni międzyelektrodowej jak w polu jednostajnym. Warunki takie istnieją tylko w obszarze silnego pola elektrycznego, którego natężenie jest wyższe od natężenia początkowego wyładowań. Początkowe stadium wyładowania niezupełnego w otoczeniu elektrody o dużej krzywiźnie można przypisać mechanizmowi Townsenda. W polu niejednostajnym wyładowanie samodzielne rozwija się oddzielnie w obszarze przyanodowym i przykatodowym. Jeśli w układzie znajdują się jednakowe elektrody o dużej krzywiźnie, to natężenie początkowe wyładowań w obydwu elektrodach ma zbliżone wartości.

Wyładowania zupełne to:

• świetlenie przy napięciu początkowym (U₀)

• snopienie przy napięciu Us (Us>U₀)

Przy małych odległościach elektrod napięcie początkowe ma zbliżoną wartość do napięcia snopienia. Rozróżnienie tych form wyładowań następuje dopiero przy znacznej odległości elektrod.

4.2. Wykonanie ćwiczenia.

Do wykonania tego ćwiczenia wykorzystaliśmy układ wraz z różnymi rodzajami. Jako wskaźnik wyładowań niezupełnych wykorzystano neonówkę z iskiernikiem włączone szeregowo z elektrodą.

4.2.1 Układ elektrod płaszczyzna - płaszczyzna.

To układ w którym występuje jednostajny rozkład pola elektrycznego. Posiadają odpowiednio ukształtowane krawędzie dal uniknięcia zwiększenia natężenia pola w tym miejscu. Układ ten charakteryzuje wyraźna granica napięciowa, przy której występuje przeskok iskry nie poprzedzony żadnym wyładowaniem niezupełnym.

4.2.2. Układ elektrod kula - płaszczyzna.

Taki układ elektrod wytwarza pole umiarkowanie niejednostajne.

4.2.3. Układ elektrod płaszczyzna - ostrze.

Pole występujące w tym układzie to pole bardzo niejednorodne. Napięcie początkowe jest niższe od napięcia przeskoku.

4.2.4. Układ elektrod ostrze - ostrze.

Pole uzyskane w tym układzie to pole wybitnie niejednostajne.

4.3. Wnioski

Jak napisałem wcześniej wyładowania zupełne następują po wyładowaniach niezupełnych czyli świetleniu i snopieniu. Dało się zauważyć, że dla różnych układów elektrod napięcia świetlenia i snopienia były mniej lub bardziej zbliżone do wartości napięcia przeskoku; były bardziej do siebie zbliżone w układach elektrod o dużych krzywiznach, natomiast w pozostałych znacznie się od siebie różniły.

Jeżeli doprowadzone do układu elektrod ostrze - płaszczyzna utrzymywane było w granicach U₀<U<Up to w przestrzeni między elektrodami występuje wyładowanie niezupełne, któremu towarzyszą efekty świetlne (złudzenie przedłużenia ostrza elektrody) i akustyczne. Oczywiście rozwój snopienia zależy od przebiegu napięcia w czasie.

---